Máy điện 1 - Chương 10

Máy điện một chiều(MĐ1C) hiện ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong sản xuất và đời sống. Nó dùng làm động cơ điện, máy phát điện hoặc tổ hợp máy, thiết bị điện một chiều chuyên dụng. Cô

Chương 10

VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thườngphải khởi động và ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải và tình hìnhcủa lưới điện mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điện cũng khác nhau Khi bắt đầu khởi động thì rotor đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1 nêndòng điện khởi động của động cơ có thể tính theo mạch điện thay thế hình 9-7b:

VK

1 K 1 Z

U

Trên thực tế do mạch từ tản bão hòa rất nhanh, điện kháng giảm xuống nêndòng điện khởi động còn lớn hơn so với trị số theo công thức (10-1) Ở điện ápđịnh mức Uđm thường dòng điện khởi động IK = (47)Iđm Dòng điện khởi độnglớn không những làm cho bản thân máy bị nóng mà còn làm cho điện áp của lướiđiện bị giảm

Ta có moment khởi động của động cơ không đồng bộ theo (9-56):

2 ' 2 Th 2 ' 2 Th

' 2

2 Th 1

1 K

) X X ( ) R R (

R U m

 Mômen khởi động MK phải lớn để thích ứng với đặc tính tải

 IK càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác

 Thời gian khởi động tK cần nhỏ để máy có thể làm việc được ngay

 Thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, tin cậy và ít tốn năng lượng

Những yêu cầu trên là trái ngược nhau, vì thế tùy theo yêu cầu sử dụng, côngsuất động cơ và công suất của lưới điện mà ta chọn phương pháp khởi động thíchhợp

10.1.1 Khởi động động cơ rotor dây quấn

Khi khởi động động cơ, dây quấn rotor được nối với các điện trở phụ RK (hình10-1a) Đầu tiên K1 và K2 mở, động cơ khởi động qua điện trở phụ lớn nhất, sau đóđóng K1 rồi K2 giảm dần điện trở phụ về không Đường đặc tính moment ứng vớicác điện trở phụ khởi động RK1 và RK2 trình bày trên hình 10-1b

Lúc khởi động n = 0 thì s = 1, muốn moment khởi động MK = Mmax thì sm = 1:

1 ) X X ( R

R R s

2 ' 2 Th

2 Th

' K

' 2

R R s

2 ' 2 1

2 1

' K

' 2

R R

2 1

' K

' 2

K a R

Với : a2 = ai ae hệ số qui đổi thông số rotor về stator

Từ đó xác định được điện trở khởi động ứng với mômen khởi động MK= Mmax.Khi có điện trở khởi động RK, dòng điện trong dây quấn rotor khi khởi độngđộng cơ là:

2 ' 2 Th 2 ' K

' 2 Th

Th K

) X X ( ) R R R (

U I

Nhờ có điện trở RK dòng điện khởi động giảm xuống, moment khởi động tăng,

đó là ưu điểm lớn của động cơ rotor dây quấn

Moment khởi động :

2 ' 2 Th

2 K

' 2 Th

' 2

2 Th 1

1 K

) X X ( ) ' R R R (

R U m

R1 = 0,403 , R’2 = 0,317 , Rfe = bỏ qua

X1 = 1,32  ; X’2 = 1,32  XM = 35,46 

Bài giải

a Điện trở điều chỉnh để mômen khởi động bằng mômen cực đại:

Điện áp và tổng trở theo Thévenin :

3

2300 0

46 , 35 j 9 , 1327 )

X X ( j R

jX U

M 1 1

M 1

46,35j)32,1j403,0()XX(jR

jX)jXR(Z

M 1 1

M 1

1 Th

Điện trở điều chỉnh:

1 ) X X ( R

R R s

2 ' 2 Th

2 Th

' K

' 2

R 317 , 0 s

2

' K

2 ' 2 Th 2 ' K

' 2 Th

Th K

) X X ( ) R R R (

U I

32 , 1 2767 , 1 ( ) 3067 , 2 32 , 1 3745 , 0 (

17 , 1280 I

2 2

Tốc độ góc đồng bộ :

s / rad 86 , 53 7

60 2 p

Hình VD.10-1 Họ đường cong M=f(s)

A

) R R ( I

3067 , 2 317 , 0 ( 4 , 268 86 , 53

2 đm

' 2 Th

đm

' 2

2 Th 1

1 đm

) X X ( ) s / R R (

s / R U m

) 32 , 1 2767 , 1 ( ) 015 , 0 / 317 , 0 3745 , 0 (

015 , 0 / 317 , 0 17 , 1280 86

, 53

3 M

đm

2 2

2 đm

10528 M

M m

Đóng cầu dao CD nối trực tiếp dây quấn

stator vào lưới điện (hình 10-2) Ưu điểm của

phương pháp này là thiết bị khởi động đơn giản;

moment khởi động MK lớn ; thời gian khởi động tK

nhỏ Còn khuyết điểm là dòng điện khởi động IK

lớn làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác Vì vậy nó

chỉ được dùng cho những động cơ công suất nhỏ và

công suất của nguồn Snguồn lớn hơn nhiều lần công

suất động cơ Sđ.cơ

b) Khởi động bằng cách giảm điện áp đặt vào dây quấn stator:

Các phương pháp sau đây nhằm mục đích giảm dòng điện khởi động IK

Nhưng khi giảm điện áp khởi động thì moment khởi động cũng giảm theo.

 Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:Khởi Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:động Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:dùng Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:cuộn Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:kháng Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:mắc Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:nối Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:tiếp Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:vào Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:mạch Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:stator:

Trên sơ đồ hình 10-3 trình bày phương pháp

khởi động dùng điện kháng ĐK (có thể dùng điện

trở RK) Khi khởi động cầu dao CD2 cắt, đóng

CD1 để nối dây quấn stator vào lưới điện thông

qua điện kháng ĐK, động cơ quay ổn định, đóng

CD2 để ngắn mạch điện kháng ĐK, nối trực tiếp

dây quấn stator vào lưới Nhờ có điện áp rơi trên

điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ

giảm làm dòng điện khởi động giảm

Gọi k là hệ số làm giảm điện áp khi khởi

động; U1 là điện áp pha của lưới điện; ZVK là tổng

trở ngắn mạch pha (tổng trở vào) của động cơ khi rotor đứng yên Điện áp đặt vàođộng cơ điện khi khởi động là:

K K

aZ

U Z

dòng điện khởi động giảm đi k lần,

còn moment khởi động giảm a2 lần:

MK/M’K = (U1 /UK)2 = a2 (10-8)

VÍ DỤ 10-2

Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, công suất 30hp, 60Hz,230V nối Y, 6 cực từ, 78A, 1748 vòng/phút, tổng trở pha khi rotor ngắn mạch0,273690  Động cơ khởi động dùng điện trở mắc nối tiếp vào mỗi dây pha.Xác định (a) điện trở khởi động để dòng điện khởi động bằng ba lần dòng điệnđịnh mức; (b) điện áp pha đặt lên dây quấn stator khi khởi động; (c) mômen khởiđộng % của động cơ so với mômen định mức, cho biết mK = 1,5

Bài giải

a Tổng trở pha khi khởi động:

Z = RK + Zn = RK + 0,273690 = RK + 0,0978 + j0,2549 Điện áp pha của lưới khi khở động: U1 = U/ 3= 230/ 3 = 132,79 VDòng điện khở động: IK = 3 x Iđm = 3 x 78 = 234 A

Mà ta có biểu thức:

2 2

1

2549 , 0 ) 0978 , 0 (

79 , 132 234

U I

đm đm

2 đm

2 1

K đm 88

, 63 K

2 K

1 88

, 63 K

đm K

K

M

% 7 , 34 M

347 , 0 79 , 132

88 , 63 M

5 , 1

U

U M 5 , 1 '

M

U

U M

M 5 , 1 '

Bài giải

a Điện cảm khở động của động cơ:

Dòng điện khở động trực tiếp:

IK = 2 x Iđm = 5,5 x 17,8 = 97,9 A Điện áp pha của lưới khi khở động: U1 = U/ 3= 380/ 3 = 220 V

Tổng trở pha của động cơ khi rotor đứng yên:

220 I

U Z

K

1 VK

ZVK = 2,241700 = 0,7665 + j2,1058 Tổng trở pha lúc khởi động dùng cuộn kháng:

Z = XK + ZVK = XK + 2,241700 = 0,7665 + j(XK + 2,1058) Dòng điện khở động khi dùng cuộn kháng:

IK = 2 x Iđm = 2 x 17,8 = 35,6 A

Mà ta có biểu thức:

2 K

2

1 K

) 105 , 2 X ( ) 7665 , 0 (

4 , 219 6

, 35 Z

U I

Trên sơ đồ hình 8-4 trình bày phương pháp khởi động dùng máy biến áp tựngẫu, MBA tự ngẫu nối Y với điện áp lấy ra 50, 65, 80% điện áp định mức để đưavào động cơ Trước khi khởi cắt động cầu dao CD2, đóng CD3, MBA TN để ở vịtrí điện áp đặt vào động cơ khoảng 0,65Uđm, đóng CD1 để nối dây quấn stator vàolưới điện thông qua MBA tự ngẫu, động cơ quay ổn định, cắt CD3, đóng CD2 đểnối trực tiếp dây quấn stator vào lưới

Gọi a là hệ số biến áp của MBA tự ngẫu;

U1 là điện áp pha của lưới điện; Zn là tổng trở

pha của động cơ lúc mở máy Điện áp đặt vào

động cơ điện khi khởi động là:

K

U Z

U

Dòng điện I1 lưới điện cung cấp cho

động cơ lúc khởi động là dòng điện sơ

cấp của MBA tự ngẫu:

VK 2 1 K

1

Za

Ua

2 2 K

1 '

K

U

U M

Bài giải

a Động cơ khởi động trực từ lưới điện

Mômen định mức và khởi động của động cơ:

Nm 5 , 780 1141

746 125 55 , 9 n

P 55 , 9 M

đm

đm

Nm 6 , 975 5 , 780 4 , 1 M 25 , 1

Dòng điện định mức và khởi động của động cơ:

A 156 75 , 0 460 3

746 125 cos

U 3

746 P

737 , 6 I 737 , 6

b Động cơ khởi động qua MBA từ ngẫu

Điện áp đặt vào động cơ khi khởi động nhơ biến áp tự ngẫu:

UK = 0,65 U1 = 0,65.460 = 299 V

Do tổng trở ngắn mạch của động cơ là không đổi, nên dòng điện khởi động tương ứng điện áp giảm là:

A 15 , 683 1051 65

, 0 I 65 , 0 '

U M ' M U

U '

M

1

K K K 2

K

1 K

1 U

65 , 0

U U

U a

CA

CA HA

Dòng điện lưới khi khởi động với MBA tự ngẫu;

A 444 15 , 683 65 , 0 a

I

 Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:Khởi Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:động Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:bằng Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:cách Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:đổi Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:nối Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:Y Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator::

Áp dụng cho động cơ làm việc bình thường nối tam giác  Khi khởi độngđộng cơ nối hình sao Y, sau khi tốc độ quay gần ổn định chuyển về nối  để làmviệc như trình bày trên hình 10-5

Điện áp pha khi khởi động:

3

1 I

Dòng điện khi khởi động trực tiếp

(nối tam giác):

I3I

I

Kf

Kf KY

VÍ DỤ 10-5

Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, công suất 60hp, 60Hz,460V nối Y, 1750 vòng/phút, mK = 1,4 có tổng trở khi rôto đứng yên0,54769,10/pha Động cơ sẽ được khởi động đổi nối Y  , xác định điện áplưới (a) động cơ sẽ làm việc; dòng điện khởi động pha và dây (b) khi nối ; dòngđiện khởi động pha (c) khi nối Y;

Bài giải

a Điện áp lưới động cơ sẽ làm việc:

V 6 , 265 3

460 3

U

b Dòng điện khởi động pha và dây khi nối :

A 5 , 485 547 , 0 3

460 Z

3

U I

3

IdK   pK   

c Dòng điện khởi động khi nối Y:

A 3 , 280 547 , 0 3

6 , 265 Z

3

U I

841 I

I KY

dK   lần

e Mômen định mức và khởi động:

Nm 244 1750

746 60 55 , 9 n

P 55 , 9 M

đm

đm

Nm 5 , 341 244 4 , 1 M 4 , 1

f Mômen khởi động khi nối Y còn lại là:

Nm 8 , 113 6

, 265

3 / 6 , 265 5

, 341 M

M

U

U M M U

U M

M

2 1

2 1

2 1 2 2

2

1 2

Người ta đã nghiên cứu nhiều về việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ, nhưng nhìn chung thì các phương pháp này đều có những ưu nhược điểm của

nó và chưa giải quyết được toàn bộ vấn đề như phạm vi điều chỉnh, năng lượngtiêu thụ, độ trơn khi điều chỉnh, thiết bị sử dụng Mặc dầu việc điều chỉnh tốc độđộng cơ điện không đồng bộ còn một số khó khăn nhất định, nhưng trong nhữngtrường hợp cụ thể nào đó thì dùng phương pháp điều chỉnh tốc độ thích hợp có thểthỏa mãn được yêu cầu

Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ được cho bởi công thức:

) s 1 ( p

f 60 ) s 1 ( n

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy: động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc cóthể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện stator, đổi nốidây quấn stator để thay đổi số đôi cực từ p của từ trường hoặc thay đổi điện áp đặtvào dây quấn stator để thay đổi hệ số trược s Tất cả các phương pháp điều chỉnh

đó đều thực hiện ở phía stator Đối với động cơ điện không đồng bộ rotor dây quấnthường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor để thay đổi hệ sốtrược s, việc điều chỉnh được thực hiện ở phía rotor

8.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực từ:

Số cực của từ trường quay stator tùy thuộc vào cách đấu dây quấn stator.Bằng cách đấu lại dây quấn, một động cơ hai cực (p = 1) có thể thành bốn cực (p =2) Động cơ không đồng bộ có cấu tạo dây quấn để thay đổi số đôi cực từ được gọi

là động cơ nhiều cấp tốc độ Phương pháp này chỉ dùng cho loại động cơ rotorlồng sóc

Trên hình 10-6 trình bày hai đặc tính M1(n) và M2(n) ứng với hai tốc đồng bộ

n11 và n12

Theo công thức (10-14) và (9.53), ta có:

n11 = 2n12 và M2max = 2M1max (10-15)

8.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách

thay đổi tần số nguồn điện

Điều chỉnh điện áp stator theo tần số có sơ đồ khối như hình 10-8a Với điềukiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U1, tần số

f1 và mômen M Trong công thức (9-53) về mômen cực đại, khi bỏ qua điện trở R1

và UTh = U1 thì moment cực đại có thể viết thành :

2 1

1 2

1

2 1

U f

U C

M2max

p = 2

f>fđmf<fđm

Trong đó C là một hệ số.

Giả thiết U’1 và M’ là điện áp

và moment lúc tần số f1’, căn cứ vào điều kiện năng lực quá tải không đổi, ta có :

M

MM

Mmax max'

2 1

2 1 ' ' max max''

fU

fUM

MM

1 Trong thực tế ứng dụng, thường yêu cầu moment không đổi, nên ta có :

1

1 1

1

f

f U

1 1

1f

fM

M

 ; Thế vào trên ta được :

1

1 1

1

f

f U

Rectifier

r (dc - ac)

n

M

P không đổi

M không đổi

10b, khi f < fđm, moment cực đại và moment tải cũng không đổi; khi tần số f > fđm

mà U/f không đổi thì khi U > Uđm bộ nghịch lưu không thể cấp giá trị điện áp này,nên U/f ở vùng này được phép giảm và moment động cơ giảm theo tốc độ Vùngđiều khiển này là vùng có công suất Pcơ không đổi

8.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rotor

Thay đổi điện trở dây quấn rôto, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vào mạchrotor để điều chỉnh tốc độ động cơ rotor dây quấn như trên hình 10-9a

Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn biến trởkhởi động Họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn khi dùngbiến trở điều chỉnh tốc độ trình bày trên hình 10-9b Khi tăng điện trở, tốc độ quaycủa động cơ giảm Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suấtđộng cơ giảm Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnhliên tục trong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong các động cơcông suất cở trung bình Phương pháp nầy chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khimáy không tải thay đổi biến trở, tốc độ động cơ gần như không đổi Do tổ hao nên

Hình 10-9 Điều chỉnh tốc độ động cơ rotor DQ dùng điện trở

a) Sơ đồ điều chỉnh; b) Đặc tính; c Sơ đồ mạch hở; d Sơ đồ mạch kín

s

10

(b)

s4s5

s2s3

s1

ta thay biến trở bằng bộ đóng cắt như trình bày trên hình 10-9c (mạch hở), và cóphản hồi hình 10-9d (mạch kín).

Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch :

T

1 t t

1 f

2 1

1 1

T

tRtt

tR

VÍ DỤ 10-6

Họ đặc tính M=f(s) của động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn có sốliệu: 400hp, 2300V nối Y, 60Hz, 14 cực từ trình bày trên hình VD 10-1 Đườngcong A và D cho biết giới hạn của điện trở điều chỉnh Xác định (a) dãy tốc độbiến thiên của rotor khi thay đổi điện trở điều chỉnh khi tải trên đầu trục bằng địnhmức không đổi; (b) điện trở điều chỉnh để đạt được 260% mômen định mức khikhởi động Cho biết a=3,8 và các thông số trên một pha như sau:

60 60 p

f 60

Từ sự giao nhau của đường cong M=f(s) với tải định mức trên hình VD 10-1, tatìm được hệ số trượt ở tốc độ thấp s = 4 và ở tốc độ cao s = 0,015 Như vậy tốc độthấp, đường D:

2 Th

đc

' 2 m

) X X ( R

' R R s

Th m

Điều kiện làm việc bình thường và quá tải ĐK rotor dây quấn

Nghiên cứu đường cong quan hệ M=f(s) của động cơ không đồng bộ rotor dâyquấn trình bày trên hình VD 10-1 cho ta thấy mômen từ 0 đến 1,1Mđm nó có tínhchất tuyến tính Như vậy các công thức, dòng điện rotor, mômen điện từ đã có chỉthêm điện trở điều chỉnh Rđc và nếu hệ số trượt s < 0,03, ta có các công thức gầnđúng như sau:

đc 2

1 '

03 , 0 s ,

2 R ' R '

s U I

2 1 1

1 03 , 0

s U m

đc 2 tinh tuyên

' 2

' R ' R

s I



đc 2 tinh tuyên R' R'

R1 = 0,00536 , R’2 = 0,00613 , Rfe = 7,66

X1 = 0,0383  ; X’2 = 0,0383  XM = 0,5743 

Xác định (a) tần số rotor; (b) hệ số trượt tới hạn; (c) tốc độ khi mômen tảibằng nửa mômen định mức; (d) điện trở điều chỉnh pha khi tải trên đầu trục bằngnửa định mức và tốc độ 1000 vòng/phút, cho biết a=2 và động cơ vận hành trongvùng tuyến tính ; (e) mômen định mức khi tốc độ định mức

Bài giải

a Tần số rotor: f2 = s f1 = 0,16 50 = 0,8 Hz

b Hệ số trượt tới hạn: ở đây do X1 << XM, nên ta dùng công thức: